PURAD - Podstawowe układy radiokomunikacyjne - ćw. 1

POLITECHNIKA WARSZAWSKA
Instytut Radioelektroniki
Zakład Radiokomunikacji
LABORATORIUM PODSTAWOWYCH UKŁADÓW
RADIOELEKTRONICZNYCH
Ćwiczenie 1
Badanie wzmacniaczy i mieszaczy
(materiały pomocnicze i instrukcja do ćwiczenia)
opracował dr Wojciech Kazubski
w. 1
Warszawa 2005
1
1. Wykaz aparatury
●
●
●
●
●
●
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
generatory sygnałowe 2szt.,
analizator widma,
sumator mocy,
oscyloskop,
tester radiotelefonów,
kaseta zawierająca moduły:
RFA02 ­ oporowy wzmacniacz w. cz. (jednotranzystorowy),
RFA03 ­ wzmacniacz w. cz. z tranzystorami JFET,
RFA04 ­ wzmacniacz w. cz. przeciwsobny ze sprzężeniem zwrotnym,
RFA06 ­ wzmacniacz w. cz. ze sprzężeniem zwrotnym,
MIX01 ­ mieszacz pierścieniowy diodowy,
MIX02 ­ mieszacz podwójnie zrównoważony z tranzystorami JFET,
MIX03 ­ mieszacz podwójnie zrównoważony z tranzystorami bipolarnymi,
MIX04 ­ mieszacz podwójnie zrównoważony z układem scalonym UL1042,
BPF01 ­ zespół filtrów pasmowoprzepustowych,
IFA01 – wzmaczniacz z ARW,
RFA02 – wzmacniacz­ogranicznik (przebudowany)
2. Wzmacniacze wysokiej częstotliwości
2.1. Wstęp teoretyczny
Podstawowym zadaniem wzmacniacza jest wzmacnianie sygnałów w torach radiowych.
W idealnym wzmacniaczu napięcie wyjściowe powinno być proporcjonalne do napięcia
wejściowego:
uWY = K U u WE
gdzie KU jest wzmocnieniem wzmacniacza. Oznacza to, że charakterystyka przejściowa jest
linią prostą. W rzeczywistości charakterystyki elementów aktywnych są nieliniowe i z tego
powodu rzeczywista charakterystyka przejściowa wzmacniacza odbiega od linii prostej (rys.
1.) co jest źródłem zniekształceń. a)
uwy
b)
uwy
uwe
uwe
Rys. 1. Charakterystyka przejściowa wzmacniacza: a) idealnego, b) rzeczywistego
2
Wzmacniacze stosowane w radiotechnice można podzielić na wąskopasmowe
(selektywne, rezonansowe) i szerokopasmowe. We wzmacniaczach wąskopasmowych do
dopasowania wejść i wyjść elementów aktywnych wykorzystuje się obwody rezonansowe.
Zapewniają one możliwość transformacji impedancji w szerokim zakresie, dzięki czemu
można osiągnąć duże wzmocnienie pojedynczego stopnia, ale pasmo przenoszonych
częstotliwości jest wąskie, ograniczone pasmem przenoszenia zastosowanych obwodów
rezonansowych. Rys. 2. Przykładowy schemat wzmacniacza: a) rezonansowego, b) szerokopasmowego
We wzmacniaczach szerokopasmowych zazwyczaj wymaga się zapewnienia
jednakowego wzmocnienia w całym paśmie pracy wzmacniacza. Często realizuje się to
poprzez zastosowanie ujemnego sprzężenia zwrotnego, pozwalającego także na poprawę
dopasowania na wejściu i wyjściu wzmacniacza. Niekiedy do uzyskania dopasowania stosuje
się transformatory szerokopasmowe, nie dają one jednak takich możliwości transformacji
impedancji jak obwody rezonansowe. Brak możliwości pełnego dopasowania tranzystora oraz
wprowadzenie ujemnego sprzężenia zwrotnego powodują znaczną redukcję uzyskiwanego
wzmocnienia wzmacniacza, zwykle jest ono rzędu 10dB podczas gdy we wzmacniaczu
rezonansowym przy niezbyt wysokich częstotliwościach może znacznie przekraczać 20dB. 2.1.1. Wzmacniacze w. cz. o wysokiej liniowości
Wzmacniacze w. cz. często muszą wzmacniać równocześnie wiele sygnałów w taki
sposób aby uniknąć wzajemnych zakłóceń między nimi. Wymagana jest wtedy szczególnie
dobra liniowość wzmacniacza, można ją osiągnąć poprzez następujące techniki:
– zwiększanie prądów kolektora (drenu) tranzystorów,
– stosowanie silnego ujemnego sprzężenia zwrotnego,
– stosowanie elementów o bardziej liniowych charakterystykach (tranzystory polowe),
– stosowanie układów przeciwsobnych.
Do tej grupy można zaliczyć wzmacniacze RFA03, RFA04 oraz RFA06 badane podczas
ćwiczenia. Schematy wzmacniaczy są zamieszczone w załączniku.
2.1.2. Regulacja wzmocnienia we wzmacniaczach w. cz.
3
W odbiornikach radiowych zazwyczaj
wymaga się aby odbiornik mógł
poprawnie odbierać zarówno słabe jak i
A
Uwymax
C
silne sygnały. Aby to osiągnąć często
konieczne jest zastosowanie w torze
Uwymin
B
wysokiej lub pośredniej częstotliwości
Uwe
stopni wzmacniających o regulowanym
wzmocnieniu. Zwykle wzmocnienie to jest
regulowane na drodze elektrycznej, co
Uwemin1 Uwemin2
pozwala na zastosowanie automatycznej
Rys. 3. Charakterystyka wzmacniacza z automatyczną
regulacji wzmocnienia (ARW, AGC –
regulacją wzmocnienia
automatic gain control). Do wytworzenia
sygnału regulującego wzmocnienie
A – ARW wyłączona
wykorzystuje się sygnał pochodzący z
B – ARW bez progu
detektora amplitudy w odbiorniku.
C – ARW z progiem zadziałania Korzystnie jest gdy sygnał ARW
powoduje redukcję wzmocnienia dopiero po osiągnięciu nominalnego poziomu sygnału
wyjściowego (ARW z progiem zadziałania), w przeciwnym razie układ ARW będzie
redukował czułość odbiornika gdyż wzmocnienie maleje już dla stosunkowo słabych
sygnałów. Jeśli zostanie wprowadzony próg zadziałania ARW, to wzmocnienie zaczyna
maleć dopiero po osiągnięciu przez sygnał wyjściowy dostatecznie dużego poziomu,
zapewniającego poprawną pracę dalszych stopni.
Regulacja wzmocnienia we wzmacniaczu w. cz. może odbywać się poprzez zmianę
punktu pracy tranzystora. W przypadku tranzystorów bipolarnych wzmocnienie maleje przy
zmniejszaniu prądu kolektora, a w przypadku niektórych typów także przy zwiększaniu prądu
kolektora. Pierwsza metoda jest stosowana w odbiornikach radiofonicznych a druga w
odbiornikach telewizyjnych. Istotnym problemem przy konstruowaniu wzmacniaczy
tranzystorowych z regulowanym wzmocnieniem są zmiany impedancji wejściowej i
wyjściowej tranzystora w funkcji punktu pracy. Powodują one zmiany szerokości
przenoszonego pasma a nawet w skrajnym przypadku rozstrajanie obwodów rezonansowych
we wzmacniaczu, Są one szczególnie dokuczliwe podczas regulacji wzmocnienia poprzez
zwiększanie prądu kolektora, jednak w zakresie dużych prądów tranzystor pracuje bardziej
liniowo, co jest wymagane w zastosowaniach telewizyjnych.
We wzmacniaczach z dwubramkowymi tranzystorami MOSFET regulacja wzmocnienia
odbywa się poprzez obniżanie napięcia polaryzującego bramkę 2. Dwubramkowy tranzystor
MOSFET można traktować jako kaskodowe połączenie dwóch elementarnych tranzystorów
MOS. Obniżanie napięcia polaryzacji bramki 2 powoduje zmniejszenie spadku napięcia na
dolnym tranzystorze kaskody i tranzystor ten zaczyna pracować w zakresie rezystancyjnym i
nachylenie charakterystyki przejściowej maleje. Technika ta jest zastosowana we
wzmacniaczu IFA01 badanym w ćwiczeniu.
4
b)
Kp
UARW~=UG2S
~
=4V
Rys. 4. Wzmacniacz z dwubramkowym tranzystorem MOSFET (a) i jego charakterystyka regulacji (b)
We wzmacniaczach scalonych wzmocnienie tranzystorów bipolarnych można
redukować poprzez zmniejszanie prądu kolektora, można też zastosować bardziej złożone
układy wielotranzystorowe, takie jak pokazany przykładowo układ z rozdziałem prądu.
Podstawowy wzmacniacz stanowi tu para różnicowa T1/T2, prądy kolektorów tych
tranzystorów są następnie dzielone w parach różnicowych T3/T4 oraz T5/T6. Jeśli napięcie
regulacyjne jest dodatnie to niemal cały prąd wyjściowy pary T1/T2 płynie przez tranzystory
T3 i T6 do obciążenia i wzmocnienie jest maksymalne. Przy obniżaniu napięcia
regulacyjnego coraz większa część prądu płynie przez tranzystory T4 i T5 bezpośrednio do
zasilania i wzmocnienie maleje. Zaletą powyższego układu są małe zmiany impedancji
wejściowej i wyjściowej przy zmianach wzmocnienia.
b)
Kpmax
Kp [dB]
Kpmax­6dB
Kpmax­60dB UARW
Rys. 5. Wzmacniacz z regulacją wzmocnienia przez rozdział prądów (a) i charakterystyka regulacji (b)
2.1.3. Wzmacniacz ogranicznik
W przypadku modulacji kąta (FM, PM i pochodne) amplituda sygnału nie przenosi
informacji a do demodulacji wystarcza informacja zawarta w częstotliwości chwilowej.
5
Można wtedy ustabilizować amplitudę sygnału poprzez jego wzmocnienie i obcięcie.
Zasadniczo każdy wzmacniacz przesterowany powoduje obcięcie sygnału, jednak w technice
scalonej do realizacji wzmacniaczy­ograniczników wykorzystuje się wzmacniacze różnicowe.
Ich zaletami są symetria ograniczania, łatwość kontroli poziomu ograniczania oraz prosta
realizacja w technice scalonej. Uwy
b)
IEERL
Uwe
­IEERL
Rys. 6. Wzmacniacz­ogranicznik (a) i jego charakterystyka przejściowa (b)
Amplituda napięcia wyjściowego takiego wzmacniacza nie może przekroczyć wartości
(dla wyjścia symetrycznego):
U wy = R L I EE
zależnej od prądu IEE polaryzującego parę różnicową i rezystancji obciążenia RL. Zazwyczaj
we wzmacniaczu p. cz. łączy się kaskadowo kilka (3­8) stopni różnicowych, aby osiągnąć
żądane wzmocnienie dla małych sygnałów (a przez to wymaganą czułość odbiornika) i
skuteczne ograniczanie.
2.1.4. Zniekształcenia intermodulacyjne we wzmacniaczach
Nieliniową charakterystykę przejściową wzmacniacza rzeczywistego można
aproksymować zależnością wielomianową:
2 uWY = f uWE  = A1 uWE  A2 u WE
 A3 u3 WE ...
Jeśli do takiego wzmacniacza rzeczywistego zostanie doprowadzony pojedynczy sygnał
sinusoidalny o częstotliwości f = /2:
uWE = U 0 sin  t 
to w sygnale wyjściowym pojawią się harmoniczne:
uWY = U 1 sin  t U 2 sin 2  t U 3 sin 3  t ...
W praktyce badanie liniowości wzmacniacza lub innego bloku funkcjonalnego
odbiornika za pomocą pojedynczego sygnału jest trudne, gdyż wymagany jest sygnał
pomiarowy o bardzo małej zawartości harmonicznych. Typowy poziom harmonicznych w
sygnale wyjściowym generatora sygnałowego w. cz. wynosi ­40dB w stosunku do sygnału
6
użytecznego, co jest zbyt mało do przeprowadzenia skutecznych pomiarów. Ponadto w
radiokomunikacji często mamy do czynienia ze wzmacniaczami wąskopasmowymi
zawierającymi obwody rezonansowe, które mogą wytłumić harmoniczne sygnału
pomiarowego.
Tak wysoka czystość widmowa sygnału nie jest wymagana w najczęściej stosowanej w
radiokomunikacji metodzie dwusygnałowej. W metodzie tej do wejścia badanego układu jest
doprowadzany złożony sygnał pomiarowy będący sumą dwóch sygnałów o różnych
częstotliwościach i jednakowych amplitudach. Istnieją również metody wykorzystujące trzy
sygnały (metoda trójsygnałowa) bądź nawet kilkadziesiąt sygnałów. Metody te są szczególnie
często stosowane do badania urządzeń telewizyjnych. Wadą tych metod jest konieczność
użycia bardziej złożonego układu do wytworzenia sygnału pomiarowego.
Jeśli do wzmacniacza zostaną doprowadzone dwa sygnały o częstotliwościach f1 i f2 to oprócz
harmonicznych obydwu sygnałów pojawią się produkty intermodulacji o częstotliwościach
wyrażonych ogólną zależnością (obejmującą także sygnały użyteczne i ich harmoniczne):
f = ∣m f 1 ±n f 2∣
gdzie m i n są liczbami całkowitymi. Suma wartości bezwzględnych współczynników m i n
jest nazywana rzędem produktu intermodulacji. Amplitudy harmonicznych i produktów
intermodulacji są funkcją poziomu sygnałów wyjściowych i rzędu produktu. Jeśli amplitudy
obu składowych sygnału wejściowego są równe to poziomy produktów intermodulacji
wzrastają tylokrotnie szybciej od wzrostu poziomów sygnałów wejściowych ile wynosi rząd
danego produktu. Oznacza to że na każdy decybel przyrostu poziomu sygnałów wejściowych
produkty intermodulacji drugiego rzędu wzrastają o 2dB a produkty intermodulacji trzeciego
rzędu wzrastają o 3dB. Teoretycznie, przy pewnym poziomie sygnału wejściowego poziom
danego produktu intermodulacji
Pwy [dBm]
powinien zrównać się z
OIP2
poziomem sygnału użytecznego,
IP2
IP3
OIP3
punkt ten jest nazywany punktem
f1, f2
przechwycenia i oznaczany IP
(ang. Intercept Point). W
f1+f2, f2­f1
praktyce do zrównania się
2f1­f2, 2f2­f1
poziomów nigdy nie dochodzi ze
względu na ograniczenie mocy
sygnału wyjściowego badanego
układu a położenie punktu
przechwycenia
graficznie
Kp
wyznacza się z punktu przecięcia
Pwe
się przedłużeń odpowiednich
0
IIP3 IIP2 [dBm]
charakterystyk (rys. 7). Położenie
punktu przechwycenia określa się
podając poziom mocy wejściowej
Rys. 7. Graficzne wyznaczanie punktu przechwycenia
lub mocy wyjściowej, na rysunku
7
oznaczone są one oznaczone jako odpowiednio IIPx i OIPx, gdzie x jest rzędem
analizowanego produktu. Różnica między tymi wielkościami jest równa wzmocnieniu mocy
wzmacniacza.
Matematycznie poziom IIPx lub OIPx wyznacza się na podstawie odstępu od
zniekształceń intermodulacyjnych danego rzędu (x) zgodnie z zależnościami:
d
IIPx = P we 
x−1
d
OIPx = P wy 
x−1
gdzie x jest rzędem produktu intermodulacji a Pwe i Pwy mocami sygnałów na częstotliwości f1
lub f2 mie­rzonymi odpowiednio na wejściu i wyjściu badanego układu. W praktyce najbardziej istotne są produkty inter­modulacji trzeciego rzędu występujące
na częstotliwościach 2f1­f2 oraz 2f2­f1 . Częstotliwości te znajdują się w pobliżu częstotliwości
f1 i f2 i w związku z tym są trudne do odfiltrowania. Niekiedy określa się również właściwości
badanego układu dla zniekształceń intermodulacyjnych drugiego rzędu, są one mierzone na
częstotliwościach f1­f2 oraz f2+f1 . Aby pomiar produktów intermodulacji drugiego rzędu był
prawidłowy, wzmacniacz musi przenosić co najmniej oktawowe pasmo częstotliwości. Zazwyczaj punkt IP2 wypada przy wyższym poziomie sygnału niż IP3.
Uwaga: Wzmacniacze o dużej liniowości zachowują się nieco inaczej. W ich sygnale
wyjściowym występują produkty intermodulacji wysokich rzędów przez co reguła określająca
szybkość wzrostu poziomu produktów intermodulacji przy wzroście poziomu sygnału
wejściowego przestaje obowiązywać. Dla takich wzmacniaczy położenie punktu IP3 (lub IP2)
najwygodniej określać matematycznie ze wzoru podanego powyżej, podstawiając do niego
dane uzyskane dla punktu pomiarowego, dla którego odstęp od produktów intermodulacji
wynosi około 50dB.
2.1.2. Poziom kompresji
Jak już wspomniano sygnał wyjściowy wzmacniacza nie może wzrastać nieograniczenie
przy wzroście sygnału wejściowego, chociażby z powodu ograniczonych wartości napięć i
prądów zasilających. W zakresie małych sygnałów sygnał na wyjściu wzmacniacza jest
proporcjonalny do sygnału wejściowego. Jest to obszar pracy liniowej wzmacniacza, w
którym wzmocnienie, definiowane jako stosunek sygnału wyjściowego do wejściowego (lub
różnica poziomów wyrażona w dB), jest stałe. Powyżej pewnego poziomu sygnał wyjściowy
zaczyna przyrastać słabiej niż proporcjonalnie do sygnału wejściowego. Zazwyczaj jako
koniec liniowego zakresu przyjmuje się punkt, w którym sygnał wyjściowy jest o 1dB
mniejszy niż byłby gdyby proporcjonalność była zachowana. Poziom mocy wyjściowej
wzmacniacza w tym punkcie jest nazywany poziomem 1dB kompresji. Punkt ten można także
zdefiniować także jako punkt w którym wzmocnienie wzmacniacza maleje o 1 dB w stosunku
do wzmocnienia mierzonego przy małych sygnałach. 8
2.2. Pomiary charakterystyk intermodulacyjnych wzmacniaczy
Przeprowadzić badanie charakterystyki wejściowo­wyjściowej wzmacniacza RFA02:
1. Zestawić układ pomiarowy przedstawiony na rysunku poniżej, jednak wstępnie w celu
kalibracji sygnał z sumatora mocy doprowadzić bezpośrednio do wejścia analizatora widma
(połączenie linią przerywaną). Generator 1
Sumator mocy
Generator 2
Badany
wzmacniacz
IN
Analizator widma
RF IN
OUT
Rys. 8. Schemat układu do badania właściwości intermodulacyjnych wzmacniaczy
2. Na jednym z generatorów ustawić częstotliwość f1 równą 12MHz a na drugim
częstotliwość f2 równą 14MHz (częstotliwości powinny różnić się o około 2MHz). W
analizatorze widma ustawić częstotliwość środkową (FREQUENCY) równą 20MHz i zakres
przemiatania (SPAN) równy 40MHz. Ustawić poziom sygnałów wyjściowych generatorów
tak aby oba prążki miały poziom 0dB odczytywany na analizatorze widma. Dla ułatwienia
obliczeń można w generatorach uaktywnić funkcje odczytu względnego poziomu sygnału
“dB”.
3. Ustawić na obu generatorach poziom sygnału równy ­60dBm . Odczytać z analizatora
widma i zanotować poziomy sygnałów na wyjściu wzmacniacza. Sprawdzić, czy występują
prążki na częstotliwości f1+f2 oraz f1­f2 (produkty intermodulacji 2 rzędu) i na
częstotliwościach 2f1­f2 oraz 2f2­f1 (produkty intermodulacji 3 rzędu). Jeśli prążki są
zauważalne to zanotować ich poziom.
4. Powtarzać pomiary zwiększając poziom sygnałów z obu generatorów jednocześnie
skokami co 5dB. Zaobserwować pojawianie się produktów intermodulacji coraz wyższych
rzędów. 5. Sporządzić wykres poziomu sygnałów wyjściowych wzmacniacza na częstotliwościach f1,
f2 oraz wskazanych wyżej produktów intermodulacji w funkcji poziomu sygnałów na wejściu.
Z uzyskanych wyników określić wzmocnienie w zakresie liniowym (dla małych sygnałów),
punkt w którym wzmocnienie maleje o 1dB oraz wyznaczyć położenie punktów IP2 i IP3
(podać poziomy odniesione zarówno do wejścia jak i do wyjścia wzmacniacza). 6. Powtórzyć pomiary dla wybranego innego wzmacniacza (RFA03, RFA04 lub RFA06).
Uzyskane wyniki porównać z uzyskanymi dla wzmacniacza RFA02 9
2.3. Badanie wzmacniacza p. cz. z regulacją wzmocnienia
Przeprowadzić badanie charakterystyki wejściowo­wyjściowej wzmacniacza IFA01. W
tym celu należy zestawić układ pomiarowy przedstawiony na rysunku poniżej, do kalibracji
sygnał z generatora doprowadzić do wejścia testera radiotelefonów (połączenie linią
przerywaną). Generator
Badany
wzmacniacz Oscyloskop
Tester radiotelefonów
IN
Y1
RF DIRECT
OUT
Rys. 9. Schemat układu pomiarowego do badania wzmacniaczy p. cz.
W testerze radiotelefonów wybrać funkcję pomiaru nadajnika (przycisk “TX”), wejście
RF DIRECT (przycisk programowany “RF DIR”), częstotliwość pracy 9MHz (przycisk
“FREQ”, wpisać częstotliwość i potwierdzić przyciskiem “ENTER”) i rodzaj pracy AM
(wcisnąć przycisk “MOD” a następnie “UNIT/SCROLL” aż na górze ekranu pokaże się napis
“TX AM”. Generator ustawić na częstotliwość 9,00MHz, włączyć modulację AM i ustawić
głębokość modulacji 30%. Sprawdzić parametry sygnału z generatora mierząc go za pomocą
testera radiotelefonów (połączenie “kalibracja” na rysunku). Pomiar mocy sygnału na wejściu
"RF DIRECT" testera dostępny jest po wciśnięciu przycisku programowanego “SPECIAL” (i
następnie w razie potrzeby przycisku “SEL. PWR”).
Do układu dołączyć wzmacniacz IFA01. Zmieniając poziom sygnału z generatora w
zakresie od +10 do ­110dBm dokonać pomiaru mocy sygnału wyjściowego wzmacniacza,
głębokości modulacji oraz zniekształceń nieliniowych modulacji. Podczas pomiaru można
obserwować przebieg wyjściowy wzmacniacza na oscyloskopie. Sporządzić wykres
zależności poziomu sygnału wyjściowego wzmacniacza i głębokości modulacji sygnału od
poziomu sygnału wejściowego. Określić wzmocnienie wzmacniacza dla małych sygnałów,
próg zadziałania ARW i zakres dynamiki regulacji wzmocnienia.
Na jakim odcinku charakterystyki wzmacniacz przenosi modulację amplitudy
wzmacnianego sygnału?
2.4. Badanie wzmacniacza ogranicznika
Wykonać analogiczne pomiary dla wzmacniacza­ogranicznika (zmodyfikowany
wzmacniacz RFA01) w zakresie mocy sygnału wejściowego od +10 do ­80dBm. Sporządzić
wykres zależności poziomu sygnału wyjściowego wzmacniacza i głębokości modulacji
10
sygnału od poziomu sygnału wejściowego. Obliczyć wzmocnienie wzmacniacza dla małych
sygnałów i określić próg ograniczania.
Co dzieje się z modulacją amplitudy sygnału wejściowego? Do jakich rodzajów
modulacji wzmacniacz­ogranicznik jest przydatny?
3. Badanie mieszacza
3.1. Wstęp teoretyczny
Mieszacz jest układem zawierającym nieliniowy element, do którego doprowadzone są
dwa sygnały o różnych częstotliwościach. Jeden z sygnałów, zazwyczaj niosący pewną
informację, jest nazywany sygnałem użytecznym. Drugi sygnał jest nazywany sygnałem
heterodyny, zazwyczaj jest on niemodulowanym przebiegiem okresowym (np.
sinusoidalnym). Doprowadzenie obydwu sygnałów do elementu nieliniowego powoduje
powstanie szeregu sygnałów o częstotliwościach określonych wzorem:
f = ∣m f 1 ±nf 2 ∣
gdzie m i n są liczbami rzeczywistymi. Zazwyczaj użytecznym sygnałem wyjściowym jest
jeden z sygnałów o częstotliwościach f1+f2 oraz f1­f2. Aby mieszanie było maksymalnie
efektywne, charakterystyka elementu nieliniowego w mieszaczu powinna być zbliżona do
zależności kwadratowej. W praktyce jako elementy mieszające stosuje się diody lub
tranzystory. Ich charakterystyka odbiega jednak od zależności kwadratowej toteż oprócz
wymienionych wyżej sygnałów na wyjściu mieszacza występują niepożądane sygnały:
wejściowy i heterodyny, ich harmoniczne oraz produkty mieszania wyższych rzędów.
Częściową eliminację tych sygnałów osiąga się stosując mieszacze zrównoważone, w których
występuje kilka elementów nieliniowych połączonych tak, aby część wytworzonych przez nie
sygnałów niepożądanych znosiła się wzajemnie. Mieszacze MIX01 do MIX04 używane w
ćwiczeniu są mieszaczami zrównoważonymi.
W odbiornikach radiowych mieszacze stosuje się do przetworzenia odbieranego sygnału
na sygnał na częstotliwości pośredniej. Częstotliwość ta jest zazwyczaj stała, co ułatwia
realizację wzmacniaczy i filtrów częstotliwości pośredniej. Przy dostrajaniu odbiornika do
wybranej częstotliwości należy tak dobrać częstotliwość heterodyny, aby była ona mniejsza
lub większa od częstotliwości odbieranego sygnału o wielkość częstotliwości pośredniej.
Wadą odbiorników z przemianą częstotliwości jest występowanie zjawiska odbioru
niepożądanych sygnałów nadawanych na innych częstotliwościach niż częstotliwość sygnału
użytecznego. Jeśli częstotliwość heterodyny oznaczyć jako fh a częstotliwość pośrednią jako fp
to odbiornik, nawet z idealnym mieszaczem, będzie odbierać sygnał zarówno na
częstotliwości fh­fp jak i fh+fp. Na jednej z tych częstotliwości nadawany jest sygnał użyteczny,
natomiast druga częstotliwość jest nazywana częstotliwością lustrzaną. Jest ona odległa od
częstotliwości sygnału użytecznego o podwójną wartość częstotliwości pośredniej. Aby
wytłumić sygnał na częstotliwości lustrzanej konieczne jest zastosowanie na wejściu
11
mieszacza obwodu rezonansowego lub filtru pasmowego przepuszczającego sygnał użyteczny
a tłumiącego sygnał lustrzanym. Dodatkowo filtr (obwód) wejściowy może być wykorzystany
do stłumienia sygnału heterodyny przenikającego do anteny poprzez wejście mieszacza.
3.2. Pomiary
3.2.1. Mieszacz jednotranzystorowy
Jako mieszacz jednotranzystorowy wykorzystuje się wzmacniacz RFA02
doprowadzając do jego wejścia sygnały z dwóch generatorów poprzez sumator mocy. Układ
pomiarowy jest identyczny jak do badania właściwości intermodulacyjnych wzmacniaczy –
rys. 8.
1. Jeden z generatorów ustawić na częstotliwość pracy 14MHz a poziom sygnału na ­40dB.
Sygnał tego generatora będzie sygnałem wejściowym mieszacza. Sygnał drugiego generatora,
ustawionego na częstotliwość 12MHz, będzie on sygnałem heterodyny.
2. Zaobserwować produkt mieszania na częstotliwości 2MHz. W razie potrzeby w
analizatorze widma włączyć węższy filtr wciskając kolejno przycisk BW, przycisk RES BW
(obok ekranu) na pozycję MAN i pokręcając pokrętłem w lewo.
3. Zmieniając poziom sygnału z drugiego generatora (na częstotliwości 12MHz)
zaobserwować zmiany poziomu prążka na częstotliwości 2MHz. Określić optymalny poziom
sygnału heterodyny jako punkt, przy którym uzyskuje się największe wzmocnienie przemiany
(najwyższy poziom prążka na częstotliwości 2MHz).
4. Naszkicować widmo sygnału wyjściowego mieszacza i zidentyfikować występujące w nim
składowe.
5. Oszacować wzmocnienie przemiany jako stosunek poziomu sygnału wyjściowego na
częstotliwości 2MHz do mocy sygnału wejściowego na częstotliwości 14MHz. Porównać
uzyskaną wartość z wartością wzmocnienia wzmacniacza RFA02 dla małych sygnałów
uzyskaną w punkcie 2.2.
6. Porównać poziomy sygnałów o częstotliwościach 12 oraz 14MHz na wejściu i wyjściu
wzmacniacza. Czy mieszacz jednotranzystorowy wprowadza tłumienie sygnałów
wejściowych?
3.2.2. Mieszacz zrównoważony
Zmienić mieszacz na wybrany mieszacz zrównoważony (MIX01, MIX02, MIX03 lub
MIX04),podłączając go zgodnie ze schematem poniżej. Uwaga: w tym układzie pomiarowym
poziomy sygnałów doprowadzonych do wejść mieszacza są o 6dB wyższe niż w poprzednim
układzie ponieważ nie stosuje się sumatora mocy. Przed wykonaniem pomiarów należy
ponownie dokonać kalibracji poprzez dołączenie kolejno obydwu generatorów do wejścia
analizatora i ustawienie poziomu mocy 0dB.
Badania mieszacza przeprowadzić analogiczne jak w poprzednim punkcie. Jako
12
optymalny punkt pracy mieszacza przyjąć poziom sygnału heterodyny, przy którym poziom
produktu mieszania o częstotliwości 2MHz przestaje istotnie wzrastać (nie należy przekraczać
poziomu +15dBm).
Generator 1
Badany
mieszacz
Analizator widma
IN
Generator 2
LO
RF IN
OUT
Rys. 10. Schemat układu pomiarowego do badania mieszaczy zrównoważonych.
1. Naszkicować widmo sygnału na wyjściu mieszacza i zidentyfikować występujące w nim
prążki.
2. Porównać poziomy sygnału wejściowego 14MHz i wyjściowego 2MHz i określić
wzmocnienie (lub tłumienie) przemiany.
3. Określić tłumienie sygnału wejściowego i sygnału heterodyny określane jako stosunek
mocy sygnału wyjściowego mieszacza na danej częstotliwości (12MHz lub 14MHz) do mocy
sygnału doprowadzonego do mieszacza. Jeśli poziom sygnału wejściowego lub heterodyny
na wyjściu mieszacza jest większy niż poziom odpowiedniego sygnału doprowadzonego do
mieszacza to wyrażone w decybelach tłumienie jest ujemne.
4. Porównać właściwości mieszacza jednotranzystorowego i zrównoważonego (wzmocnienie
przemiany, poziom tłumienia sygnałów niepożądanych, wymagany poziom sygnału
heterodyny).
3.2.3. Badanie stopnia przemiany z filtrem wejściowym
1. Do mieszacza doprowadzić sygnał heterodyny o optymalnym poziomie i dla wybranego
poziomu sygnału wejściowego na częstotliwości 14MHz zanotować poziom prążka o
częstotliwości pośredniej 2MHz.
2. Zmienić częstotliwość generatora dającego sygnał wejściowy z 14MHz do 10MHz i
zaobserwować ponowne pojawienie się prążka na częstotliwości 2MHz. Powrócić do
częstotliwości 14MHz.
3. Pomiędzy generator sygnału wejściowego a wejście RFin mieszacza włączyć zespół filtrów
pasmowych BPF01 i wybrać przyciskiem filtr 14MHz. Zaobserwować wpływ tłumienia filtru
w paśmie przepustowym. Oszacować wielkość tego tłumienia porównując poziomy sygnału o
częstotliwości pośredniej uzyskane z filtrem i bez filtru.
4. Przestroić generator sygnału wejściowego ponownie na częstotliwość 10MHz i
zaobserwować efekt tłumienia częstotliwości lustrzanej. Oszacować tłumienie filtru dla
częstotliwości lustrzanej porównując poziomy zmierzone przy częstotliwości sygnału
13
wejściowego 10MHz i 14MHz. Jeśli sygnał na częstotliwości pośredniej nie będzie widoczny
to zwiększyć poziom sygnału wejściowego o znaną wielkość, którą należy uwzględnić przy
obliczaniu tłumienia.
3.2.4. Obserwacja charakterystyki filtru
Wyjście filtru dołączyć do wejścia analizatora i włączyć tryb zapamiętywania maksimum
wciskając przyciski TRACE i MAX HOLD (obok ekranu). Powoli zmieniając częstotliwość
generatora w zakresie od 10MHz do 20MHz obserwować rysowanie na ekranie
charakterystyki filtru. Oszacować tłumienie częstotliwości lustrzanej i porównać z wielkością
uzyskaną w poprzednim punkcie.
14
Rys. 11. Schematy ideowe wzmacniaczy używanych w ćwiczeniu: a) RFA02, b) RFA03, c) RFA04, d) RFA06
15
Rys. 12. Schematy ideowe mieszaczy używanych w ćwiczeniu: a) MIX01, b) MIX02, c) MIX03, d) MIX04
16